(57)【要約】      （修正有）【課題】シリコン基板のようなシリコン系被処理物を１０００℃より低い温度で異方性の酸化を実行し得るシリコン系被処理物の酸化処理方法を提供する。【解決手段】シリコン基板１１を酸素ラジカルを含むプラズマに曝すと共に、前記基板１１に抵抗素子６を通して直流電圧を印加して酸化を行う。【選択図】図１
2006286662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン系被処理物を酸素ラジカルを含むプラズマに曝すと共に、前記基板に抵抗素子を通して直流電圧を印加して酸化を行うことを特徴とするシリコン系被処理物の酸化処理方法。
【請求項２】
前記基板を４００〜６００℃の温度に加熱することを特徴とする請求項１記載のシリコン系被処理物の酸化処理方法。
【請求項３】
前記抵抗素子は、０．５〜１．５ＭΩの抵抗値を有することを特徴とする請求項１記載のシリコン系被処理物の酸化処理方法。
【請求項４】
チャンバと、
前記チャンバ内に配置され、シリコン系被処理物を保持するためのホルダと、
前記チャンバ内に酸素ラジカルを含むプラズマを生成する手段と、
前記基板に直流電圧を供給するための直流電源と、
前記基板と前記直流電源の間に介在される抵抗素子と
を備えたことを特徴とする酸化処理装置。
【請求項５】
前記抵抗素子は、０．５〜１．５ＭΩの抵抗値を有することを特徴とする請求項４記載の酸化処理装置。
【請求項６】
凸部を有するシリコン基板を酸素ラジカルを含むプラズマに曝すと共に、前記基板に直流電圧を抵抗素子を通して印加して酸化処理することにより前記凸部の側部にその上部および凸部周囲の酸化膜より薄い厚さの酸化膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン系被処理物の酸化処理方法、酸化処理装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置の製造工程においてシリコン系被処理物、例えばシリコン基板（以下、シリコンウェハと称す）の酸化は、１０００℃程度の酸素雰囲気中で加熱する熱酸化法が用いられている。このような温度での酸化は、シリコンウェハ中の不純物が拡散したり、酸化膜中に応力が発生したりする問題がある。
【０００３】
特に、シリコンウェハにドープされた不純物がＡｓ、ＢやＰである場合には、１０００℃までに加熱することにより拡散を生じる。加熱温度を６００℃以下にまで下げることにより不純物の拡散を抑制できるが、酸化速度が遅くなって、酸化膜の形成が困難になる。
【０００４】
このようなことから、酸素（Ｏ2）分子に高周波やマイクロ波の電力を印加してプラズマ化し、生成された酸素ラジカル（酸素原子）によりシリコンウェハを低温酸化する方法が知られている。酸素原子は、酸素分子と比較して拡散係数が大きいいため、４００℃程度の低温でも実用的な酸化速度が得られる。
【０００５】
酸素ラジカルを用いた低温酸化では、等方的に酸化が進むために、例えばシリコンウェハ上に凸型構造物を形成し、この構造物を酸化する場合、その上部、側壁および底部はいずれもほぼ同じ膜厚の酸化膜が形成される。その結果、凸型構造物の上部や底部を酸化し、側壁の酸化を抑制したい場合には、酸素ラジカルを用いる低温酸化方法では困難である。
【０００６】
一方、従来の熱酸化法では前記シリコンウェハの凸状構造物において上部および底部と側壁で、シリコンの面方位が異なるために酸化速度に差ができ、上部側のシリコン面方位、通常(１００)面、においては選択的に酸化が進む。このため、選択酸化が可能となるが、前述したように高温での酸化による不純物の拡散の課題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、シリコン基板のようなシリコン系被処理物をより低い温度でも異方性の酸化を実行し得るシリコン系被処理物の酸化処理方法を提供しようとするものである。
【０００８】
本発明は、シリコン基板のようなシリコン系被処理物をより低い温度でも異方性の酸化を実現し得る酸化処理装置を提供しようとするものである。
【０００９】
本発明は、より低い温度でもシリコン系被処理物における凸部形状を損なうことなく、その凸部の上部および底部を選択的に酸化して、その凸部の側部においては上部および底部より薄い酸化膜を形成する異方性の酸化が可能な半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によると、シリコン系被処理物を酸素ラジカルを含むプラズマに曝すと共に、前記基板に抵抗素子を通して直流電圧を印加して酸化を行うことを特徴とするシリコン系被処理物の酸化処理方法が提供される。
【００１１】
本発明の別の態様によると、チャンバと、
前記チャンバ内に配置され、シリコン系被処理物を保持するためのホルダと、
前記チャンバ内に酸素ラジカルを含むプラズマを生成する手段と、
前記基板に直流電圧を供給するための直流電源と、
前記基板と前記直流電源の間に介在される抵抗素子と
を備えたことを特徴とする酸化処理装置が提供される。
【００１２】
ここで、シリコン系被処理物としては例えば溝などが加工された凹凸物品を有するシリコン基板、多結晶シリコンのようなシリコンの凸状構造物が酸化膜を介して形成されたシリコン基板等が挙げられる。
【００１３】
本発明のさらに別の態様によると、凸部を有するシリコン基板を酸素ラジカルを含むプラズマに曝すと共に、前記基板に直流電圧を抵抗素子を通して印加して酸化処理することにより前記凸部の側部にその上部および凸部周囲の酸化膜より薄い厚さの酸化膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、より低い温度でもシリコン系被処理物の異方性酸化が可能なシリコン系被処理物の酸化処理方法、この酸化処理方法を実現することが可能な酸化処理装置、ならびにシリコン基板をより低い温度で処理し、凸部の上部および底部を選択的に酸化して側部より厚い酸化膜を形成する異方性酸化が可能な半導体装置の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、一例として本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、実施形態に係る酸化処理装置を示す概略斜視図である。
【００１７】
真空チャンバ１は、シリコン系被処理物を酸化処理するための例えば矩形状の処理室２と、この処理室２の上部に連通して配置された例えば円筒状のプラズマ生成室３とから構成されている。前記処理室２は、真空ポンプで真空引きされる排気管（図示せず）が連結されている。ヒータが内蔵された例えば円板状のホルダ４は、前記処理室２内に配置されている。直流電源５は、前記ホルダ４に抵抗素子６を通して接続されている。この抵抗素子６は、０．５〜１．５ＭΩの抵抗値を有することが好ましい。
ガス供給管７は、前記プラズマ生成室３の上部側壁に連結されている。マイクロ波が透過される石英ガラス製の誘電体窓８は、前記プラズマ生成室３の上部に設置されている。方形導波管９は、その導波管９のマイクロ波放出側が前記誘電体窓８に設置されている。前記導波管９は、その内部を伝播するマイクロ波の電界方向に垂直な面（Ｈ面）と、このＨ面に対して垂直方向に伸びるマイクロ波の電界方向に平行な面（Ｅ面）と、マイクロ波導入側と反対側においてＨ面およびＥ面に対して垂直で、マイクロ波を反射する反射面とを有する。前記誘電体窓７に対向する前記導波管９のＨ面には、互いに平行する２つのスリット１０が開口され、その導波管９に伝播されたマイクロ波は前記スリット１０および誘電体窓８を通して前記プラズマ生成室３に放射される。
【００１８】
次に、前述した酸化処理装置を用いてシリコン系被処理物、例えば溝加工により形成された凸部を有するシリコン基板（シリコンウェハ）の酸化処理方法を説明する。
【００１９】
まず、前記構造のシリコンウェハ１１を処理室２内のホルダ４に保持させる。つづいて、ホルダ４のヒータにより前記シリコンウェハ１１を加熱する。この状態で真空ポンプを作動して真空チャンバ１内のガスを図示しない排気管を通して排気する。同時に、酸素を含むガス（例えば酸素（Ｏ2）をアルゴン（Ａｒ）で希釈した混合ガス）をガス供給管７を通して前記真空チャンバ１上部のプラズマ生成室３に供給する。
【００２０】
前記真空チャンバ１内が所定の圧力になった時点で図示しないマイクロ波電源からマイクロ波を方形導波管９内に導入することによりマイクロ波をスリット１０および誘電体窓８を通して前記プラズマ生成室３に放射する。このマイクロ波の電界によって、ＡｒおよびＯ2ガスを電離して電子を生成し、プラズマ化して高電子密度（例えば１０11ｃｍ-3以上）のプラズマを発生させる。この時、プラズマ中にはＡｒイオン、Ｏ2イオン、Ｏイオン、Ｏ原子（ラジカル）や電子等が生成される。Ｏ原子は、Ｏ2分子に電子が衝突することで解離して生成される。Ｏ原子は、励起状態にあり、活性化されて反応性が高くなっている。この状態を酸素ラジカルと呼ぶ。
【００２１】
前述したプラズマの発生に前後して直流電圧電源５から直流電圧を抵抗素子６を通してホルダ４に印加する。この時、シリコンウェハ１１は露出面に自然酸化膜が形成されている場合には直流電圧が印加されず、絶縁破壊が起きる程度の電圧を印加するとプラズマが不安定（異常な放電）になる。このため、直流電圧を抵抗素子６を通してホルダ４に印加することにより直流電流をシリコンウェハ１１に直接印加することが可能になる。したがって、ヒータにより加熱され、かつ正電圧が印加されたシリコンウェハ１１はプラズマ中で生成された酸素ラジカルと反応し、異方性の酸化がなされる。
【００２２】
このような実施形態の方法で異方性の酸化処理を行った場合と、酸素ラジカルのみでシリコンウェハを酸化処理した場合とを比較して以下に詳述する。図２は、酸素ラジカルのみでのシリコン基板の酸化を示すモデル図、図３は本実施形態による異方性の酸化を示すモデル図である。なお、図２、図３のシリコンウェハ１１は上部１２および側部１３を有し、シリコンウェハ１１表面を底部１４とする凸部１５が形成されている。
【００２３】
図２に示す酸素ラジカルのみでのシリコンウェハの酸化処理方法において、シリコンウェハ１１をプラズマ１６に曝すと、酸素ラジカル１７は熱運動によりプラズマ１６中を拡散してシリコンウェハ１１に到達する。一般的に、ラジカルなどの中性粒子はその温度がチャンバの壁の温度とほぼ同じであり、３００〜４００Ｋ程度となり、かつ電気的に中性であるために、電界により加速されない。その結果、その熱運動の方向性はランダムであり、凸部１５を含むシリコンウェハ１１表面でも方向性を持たずにシリコンウェハ１１の構成元素であるＳｉ１８の酸化が進む。したがって、凸部１５の上部１２、側部１３および底部１４では、ほぼ同等の酸化が進み、形成された酸化膜１９の厚さはほぼ同じになる。
【００２４】
一方、図３に示す直流電圧を印加する実施形態の酸化処理方法において、シリコンウェハ１１はその体積抵抗値が数Ω・ｃｍ程度の半導体であるため、直流電源５からシリコンウェハ１１に印加した正電圧は殆ど降下せずにシリコンウェハ１１表面に形成される酸化膜１９に加わることになる。この電圧によりプラズマ１６中の電子２０は酸化膜１９に方向性を持って引き寄せられ、凸部１５においてその上部１２および底部１４の酸化膜１９に選択的に付着し、凸部１５の側部１３に対しては付着し難くなる。付着した電子２０により酸化膜１９表面に例えば数Ｖから数１０Ｖの電圧が発生し、酸化膜１９表面とシリコンウェハ１１との間に電界が発生する。この電界によりシリコンウェハ１１の構成元素であるＳｉ１８がイオン化して酸化膜１９中に拡散して酸化を促進する。前記電界は、前記電子２０の付着量に比例するため、前記凸部１５の上部１２および底部１４で大きくなり、側部１３で小さくなる。その結果、前記凸部１５の上部１２および底部１４では前記大きな電界による酸化促進効果が表れ、酸化膜１９が厚く形成される。前記凸部１５の側部１３では、電界による酸化促進効果が低く、主にラジカル酸化のみの酸化効果となるため、酸化膜１９が薄く形成される。したがって、このような作用により凸部１５の上部１２および底部１４に厚い酸化膜１９を、凸部１５の側部１３に薄い酸化膜１９を形成する異方性の酸化がなされる。
【００２５】
また、前記シリコンウェハ１１を酸素ラジカルを含むプラズマ１６に曝し、直流電圧を抵抗素子を通して印加することによって、その凸部１５でのスパッタ現象を生じることなく、凸部１５を含むシリコンウェハ１１を良好に異方性酸化することができる。
【００２６】
前記シリコンウェハの加熱温度は、酸素ラジカルによる酸化を採用することによりシリコンウェハにドープされた不純物の拡散を生じる１０００℃より十分に低い温度、例えば４００〜６００℃の温度にすることが可能になる。
【００２７】
前記酸素を含むガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのような希ガスと酸素との混合ガスを用いることが好ましい。特に、この混合ガス中の酸素比率は６体積％以下、より好ましくは０．５〜６体積％の範囲にすることが望ましい。このような酸素比率の混合ガスは、前述した電界に関与する電子をプラズマ中により多く発生させることが可能になり、異方性酸化をより一層実行し易くなる。また、前記希ガスの中で、特にアルゴンは他の希ガスに比べて廉価で電子の生成量を増大できるために好適である。
【００２８】
前記直流電圧は、０．５〜１．５ＭΩの抵抗値を有する抵抗素子を通してホルダ（またはシリコンウェハ）に印加することが好ましい。
前記抵抗素子（例えば抵抗値が０．５〜１．５ＭΩ）に供給する直流電圧は、−１．０ｋＶ〜１．０ｋＶとし、シリコンウェハに−２〜２ｍＡの電流を注入することが好ましい。注入する電流値を−２ｍＡ未満にすると、異方性酸化が困難になる虞れがある。一方、注入する電流値が２ｍＡを超えると、形成された酸化膜にピンホール等が発生して膜質を低下させる虞がある。
【００２９】
前記シリコンウェハへの直流電圧の印加において、正電圧をシリコンウェハに印加することが好ましい。このように前記シリコンウェハに正電圧を印加することにより前述したプラズマ中の電子に対して効率的に電界を加えることが可能になり、異方性酸化をより一層実行し易くなる。
【００３０】
以上、実施形態によれば凸部を有するシリコンウェハのようなシリコン系被処理物を酸素ラジカルを含むプラズマ雰囲気に曝すとともに、前記基板に直流電圧を抵抗素子を通して印加することによって、シリコン系被処理物の露出面に自然酸化膜が形成されていても、シリコン系被処理物に直流電流を直接印加することが可能になる。このような直流電圧の印加によって、１０００℃より低い温度（例えば４００〜６００℃℃）で前記シリコン系被処理物の異方性酸化を遂行でき、かつシリコン系被処理物の不純物の拡散を抑制することが可能な酸化処理方法を提供できる。
【００３１】
また、前記シリコン系被処理物の異方性酸化を実施し得る酸化処理装置を提供できる。
【００３２】
さらに、凸部を有するシリコン基板（例えばシリコンウェハ）を酸素ラジカルを含むプラズマに曝し、直流電圧を抵抗素子を通して印加することによって、その凸部でのスパッタ現象を生じることなく、つまり凸部の形状変化を生じることなく、凸部を含むシリコンウェハを異方性酸化することができる。このような異方性酸化は、例えば半導体装置の製造時における溝内面の酸化工程を含む埋込み素子分離領域の形成、ゲート電極周辺の酸化膜形成等に適用することができる。
なお、前述した実施形態ではプラズマ発生手段としてマイクロ波を真空チャンバのプラズマ生成室に放射させるための導波管を用いたが、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ；Inductively Coupled Plasma）を用いてもよい。
【００３３】
以下、本発明の実施例を説明する。
（実施例１）
図４に示す上部１２および側部１３を有し、表面を底部１４とする凸部１５が形成されたシリコンウェハ１１を用意した。このシリコンウェハ１１を前述した図１に示す酸化処理装置の処理室２内のホルダ４に保持させた。つづいて、前記ホルダ４のヒータにより前記シリコンウェハ１１を４００℃に加熱した。この状態で真空ポンプを作動して真空チャンバ１内のガスを図示しない排気管を通して排気した。同時に、アルゴン、酸素および水素の混合ガスをガス供給管７を通してアルゴンに対する酸素の比率（Ｏ2／Ａｒ＋Ｏ2）が１．４体積％になるように約５１０ｓｃｃｍの流量で前記真空チャンバ１上部のプラズマ生成室３に供給した。真空チャンバ１内の圧力が１５０Ｐａになった時点で前記シリコンウェハ１１に直流電圧電源５から１．５ＭΩの抵抗素子６を通して−１．０ｋＶ〜１．０ｋＶの直流電圧を印加すると共に、図示しないマイクロ波電源から２ｋＷのマイクロ波を方形導波管９内に導入することによりマイクロ波をスリット１０および誘電体窓８を通して前記プラズマ生成室３に放射し、電子密度が３×１０11ｃｍ-3のプラズマを発生させ、前記シリコンウェハ１１を５分間酸化処理した。
酸化処理後のシリコンウェハ１１について、図４に示す凸部１５における底部１４の酸化膜の厚さ（ｔ１）および側部１３の酸化膜の厚さ（ｔ２）を測定した。その結果を図５に示す。なお、図５において横軸は抵抗素子に印加する直流電圧、左縦軸に底部および側部の酸化膜の厚さ、右縦軸は（側部の酸化膜の厚さ）／（底部の酸化膜の厚さ）の比を示す。
図５から明らかなようにシリコンウェハに直流バイアス電圧を印加すると、図４に示す凸部１５の側部１３に形成される酸化膜の厚さ（ｔ２）は直流バイアス電圧無印加に比べて変化が小さいものの、底部１４に形成される酸化膜の厚さは増大し、異方性の酸化がなされることがわかる。特に、直流バイアス電圧（抵抗素子に供給される直流バイアス電圧）が−１．０ｋＶ〜１．０ｋＶの範囲で底部１４に形成される酸化膜の厚さは顕著に増大し、（側部の酸化膜の厚さ）／（底部の酸化膜の厚さ）の比も小さくなって、より高い異方性の酸化がなされる。
【００３４】
また、比較例１として前述した実施例１において直流電圧の代わりに高周波電源から１３．５６ＭＨｚの高周波電力をホルダ４に直接印加した以外、同様な酸化処理を施し、高周波電力とシリコンウェハの酸化速度の関係、および高周波電力と図６に示す酸化処理後のシリコンウェハ１１の凸部１５の上部肩部のスパッタにより削られる量（ファセット［Facet］＝Ａ／Ｂ）との関係を調べた。その結果を図７に示す。さらに、前述した実施例１の酸化処理において直流電圧（直流電源からの供給電圧）とシリコンウェハの酸化速度の関係、および直流電圧と図６に示す酸化処理後のシリコンウェハ１１の凸部１５の上部肩部のスパッタにより削られる量（ファセット［Facet］＝Ａ／Ｂ）との関係を調べた。その結果を図８に示す。
図７から明らかなようにシリコンウェハに高周波電力を直接印加する比較例１では、高周波電力の増加に伴って酸化速度は増加するが、ファセットも増加し、凸部の形状が変化することがわかる。これは、プラズマ中で生成したイオンが高周波電界により形成される自己バイアス電位によりシリコンウェハ側へ引き込まれ、その引き込まれたイオンがウエハと衝突してスパッタリングを引き起こすためである。特に、凸部の上部角はスパッタイールドが高く、削れやすく、形状が変形し易い。
【００３５】
これに対して、図８に示すように直流電圧を１．５ＭΩの抵抗素子を通してシリコンウェハ印加することにより、異常な放電を起こすことなくプラズマを生成でき、前述した異方性の酸化を実行できる。特に、−１ｋＶまでの直流電圧を印加することにより酸化速度は増加するが、ファセットはほぼ変化なく一定である。これは、直流電圧の印加によるスパッタ現象が殆ど起こらないことを意味する。従って、高周波電力の印加と異なり、凸部形状が変化することなく異方性の酸化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る酸化処理装置を示す概略斜視図。
【図２】従来の酸素ラジカルによる酸化モデルを示す概略図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る電界印加によるラジカル酸化モデルを示す概略図。
【図４】本発明の実施例１に用いられる凸部構造を有するシリコンウェハを示す断面図。
【図５】本発明の実施例１における直流電圧と、凸部の底部および側部の酸化膜の厚さ、並びに（側部の酸化膜の厚さ）／（底部の酸化膜の厚さ）の比との関係を示す特性図。
【図６】本発明の実施例１および比較例１のファセットを説明するための凸部構造を有するシリコンウェハを示す断面図。
【図７】比較例１における高周波電力とシリコンウェハの酸化速度の関係、および高周波電力とファセット［Facet］との関係を示す特性図。
【図８】実施例１における高周波電力とシリコンウェハの酸化速度の関係、および高周波電力とファセット［Facet］との関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００３７】
１…真空チャンバ、２…処理室、３…プラズマ生成室、４…ホルダ、５…直流電源、６…抵抗素子、７…ガス供給管、９…方形導波管、１１…シリコン基板、１２…上部、１３…側部、１４…底部、１５…凸部。
【図１】
2006286662.tif 000003
【図２】
2006286662.tif 000004
【図３】
2006286662.tif 000005
【図４】
2006286662.tif 000006
【図５】
2006286662.tif 000007
【図６】
2006286662.tif 000008
【図７】
2006286662.tif 000009
【図８】
2006286662.tif 000010